Введение

Возможные альтернативные биохимические вещества, используемые живыми организмами. Гипотетические типы биохимии – это формы биохимии, признанные научно обоснованными, но не доказанными на данный момент. Все известные на Земле живые организмы используют углеродные соединения для основных структурных и метаболических функций, воду в качестве растворителя и ДНК или РНК для определения и контроля своей структуры. Если жизнь существует на других планетах или спутниках, она может быть химически схожей, однако также возможно существование организмов с совершенно иной химией, например, с использованием других классов углеродных соединений, соединений другого элемента или иного растворителя вместо воды. Возможность существования живых организмов, основанных на "альтернативных" биохимических процессах, является предметом продолжающихся научных дискуссий, основанных на знаниях о внеземных средах и химическом поведении различных элементов и соединений. Это представляет интерес для синтетической биологии и часто встречается в научной фантастике. Элемент кремний часто обсуждался как гипотетическая альтернатива углероду. Кремний находится в той же группе, что и углерод в периодической таблице, и, как и углерод, является тетравалентным. Гипотетическими альтернативами воде являются аммиак, который, как и вода, является полярной молекулой и широко распространен во Вселенной, а также неполярные углеводородные растворители, такие как метан и этан, которые, как известно, существуют в жидком виде на поверхности Титана.

Обзор гипотетических типов биохимии

+ Обзор гипотетических типов биохимии Тип Основа Краткое описание Замечания Альтернативная хиральность биомолекул Альтернативная биохимия Зеркальная биохимия Возможно, наименее необычной альтернативной биохимией была бы биохимия с иной хиральностью биомолекул. В известной земной жизни аминокислоты почти повсеместно имеют L-форму, а сахара – D-форму. Молекулы, использующие D-аминокислоты или L-сахара, возможны, хотя они были бы несовместимы с организмами, использующими молекулы противоположной хиральности. Грамположительные бактерии включают D-аланин в свой пептидогликановый слой, созданный действием рацемаз. Аммиачная биохимия Неводные растворители Жизнь на основе аммиака Аммиак относительно распространен во Вселенной и имеет химическое сходство с водой. Возможность использования жидкого аммиака в качестве альтернативного растворителя для жизни была предложена еще в 1954 году, когда Дж.Б.С. Холдейн поднял эту тему на симпозиуме о происхождении жизни. Арсеновая биохимия Альтернативная биохимия Жизнь на основе арсена Арсен, химически похожий на фосфор, хотя и ядовит для большинства форм жизни на Земле, входит в биохимию некоторых организмов. Борановая биохимия (органоборонная химия) Альтернативная биохимия Жизнь на основе боранов Бораны опасны в земной атмосфере, но были бы более стабильны в восстановительной среде. Борон, однако, чрезвычайно редок во Вселенной по сравнению с углеродом, азотом и кислородом. С другой стороны, структуры, содержащие чередующиеся атомы бора и азота, обладают некоторыми свойствами углеводородов. Биология на основе космических ожерелий Непланетарная жизнь Нехимическая жизнь В 2020 году Луис А. Анкордоку и Евгений М. Чудновский предположили, что жизнь, состоящая из магнитных полуполюсов, соединенных космическими струнами, могла бы развиваться внутри звезд. Экстремофилы Альтернативная среда Жизнь в переменных условиях Биохимически возможно поддерживать жизнь в средах, которые лишь периодически соответствуют условиям, необходимым для жизни, как мы ее знаем. Биохимия гетерополикислот Альтернативная биохимия Жизнь на основе гетерополикислот Различные металлы могут образовывать сложные структуры с кислородом, такие как гетерополикислоты. Фтористоводородная биохимия Неводные растворители Жизнь на основе фтористоводорода Фтористоводород рассматривался как возможный растворитель для жизни учеными, такими как Питер Снит. Биохимия сульфида водорода Неводные растворители Жизнь на основе сульфида водорода Сульфид водорода является химическим аналогом воды, но менее полярным и более слабым неорганическим растворителем. Метановая биохимия (азотосома) Неводные растворители Жизнь на основе метана Метан (CH4) относительно распространен в Солнечной системе и во Вселенной, и известно, что он существует в жидкой форме на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна. Хотя это маловероятно, считается возможным, что на Титане существует жизнь. Если это так, то, скорее всего, это будет жизнь на основе метана. Незеленые фотосинтезаторы Другие предположения Альтернативная растительная жизнь Физики отметили, что, хотя фотосинтез на Земле обычно включает в себя зеленые растения, различные другие цветные растения также могут поддерживать фотосинтез, необходимый для большей части жизни на Земле, и что другие цвета могут быть предпочтительнее в местах, которые получают другую смесь звездного излучения, чем Земля. В частности, ретиналь способен и наблюдается выполнять фотосинтез. Бактерии, способные к фотосинтезу, известны как микробные родопсины. Растение или существо, использующее ретинальный фотосинтез, всегда фиолетового цвета. Теневая биосфера Альтернативная среда Скрытая биосфера жизни на Земле Теневая биосфера – это гипотетическая микробная биосфера Земли, использующая радикально отличающиеся от известной жизни биохимические и молекулярные процессы. Силиконовая биохимия (органосиликон) Альтернативная биохимия Жизнь на основе кремния Как и углерод, кремний может создавать молекулы, достаточно большие для хранения биологической информации; однако, возможности кремниевой химии гораздо более ограничены, чем углеродной. Биохимия диоксида кремния Неводные растворители Жизнь на основе диоксида кремния Джеральд Файнберг и Роберт Шапиро предположили, что расплавленная силикатная порода может служить жидкой средой для организмов с химией на основе кремния, кислорода и других элементов, таких как алюминий. Серная биохимия Альтернативная биохимия Жизнь на основе серы Биологическое использование серы в качестве альтернативы углероду является чисто гипотетическим, особенно потому, что сера обычно образует только линейные цепи, а не разветвленные. Альтернативные нуклеиновые кислоты Альтернативная биохимия Различные способы хранения генетической информации Ксенонуклеиновые кислоты (XNA) могут быть использованы вместо РНК или ДНК. XNA – это общее название для нуклеиновой кислоты с измененным сахаристым остовом. Примеры XNA: TNA, использующая треозу, HNA, использующая 1,5-ангидрогекситол, GNA, использующая гликоль, CeNA, использующая циклогексен, LNA, использующая форму рибозы, содержащую дополнительную связь между ее 4'-углеродом и 2'-кислородом, FANA, использующая арабинозу, но с одним атомом фтора, присоединенным к ее 2'-углероду, и PNA, использующая вместо сахара и фосфата N-(2-аминоэтил)глициновые единицы, соединенные пептидными связями. В отличие от этого, ДНК Хачимоджи изменяет основания вместо остова. Эти новые основания: P (2-аминоимидазо[1,2a][1,3,5]триазин-4(1H)-он), Z (6-амино-5-нитропиридин-2-он), B (изогуанин) и S (rS = изоцитозин для РНК, dS = 1-метилцитозин для ДНК).

Теневая биосфера

Теневая биосфера — это гипотетическая микробная биосфера Земли, использующая радикально отличные от известных биохимические и молекулярные процессы. Несмотря на то, что жизнь на Земле относительно хорошо изучена, теневая биосфера может оставаться незамеченной, поскольку изучение микробного мира в основном ориентировано на биохимию макроорганизмов.

Биомолекулы с альтернативной хиральностью

Возможно, наименее необычной альтернативной биохимией была бы биохимия с иной хиральностью своих биомолекул. В известных земных формах жизни аминокислоты почти повсеместно имеют L-форму, а сахара – D-форму. Молекулы, использующие D-аминокислоты или L-сахара, могут быть возможны; однако молекулы с такой хиральностью были бы несовместимы с организмами, использующими молекулы с противоположной хиральностью. Аминокислоты с хиральностью, противоположной обычной, встречаются на Земле, и эти вещества обычно рассматриваются как результат распада организмов с нормальной хиральностью. Однако физик Пол Дэвис предполагает, что некоторые из них могут быть продуктами "антихиральной" жизни. Тем не менее, сомнительно, что такая биохимия была бы по-настоящему чужой. Хотя это, безусловно, была бы альтернативная стереохимия, молекулы, которые подавляющим образом представлены одним энантиомером в большинстве организмов, тем не менее, часто встречаются в виде другого энантиомера в различных (часто базальных) организмах, например, при сравнении представителей Архей и других доменов, что оставляет открытым вопрос о том, действительно ли альтернативная стереохимия является принципиально новой.

Биохимия на основе не углерода

На Земле все известные живые организмы имеют структуру и систему, основанные на углероде. Ученые рассуждали о преимуществах и недостатках использования атомов, отличных от углерода, для формирования молекулярных структур, необходимых для жизни, но никто не предложил теорию, в которой эти атомы могли бы сформировать все необходимые структуры. Однако, как утверждал Карл Саган, очень трудно быть уверенным в том, что утверждение, справедливое для всей жизни на Земле, окажется справедливым для всей жизни во Вселенной. Саган назвал такое предположение "углеродным шовинизмом". Он считал кремний и германий возможными альтернативами углероду. Норман Хоровиц разработал эксперименты для определения возможности существования жизни на Марсе, которые были проведены аппаратом Viking Lander в 1976 году – первой американской миссией, успешно осуществившей посадку зонда на поверхность Марса. Хоровиц утверждал, что большая универсальность атома углерода делает его наиболее вероятным элементом для поиска решений, даже экзотических, проблем выживания на других планетах. Он полагал, что существует лишь маловероятная возможность существования не-углеродных форм жизни с генетическими информационными системами, способными к самовоспроизведению, эволюции и адаптации.

Силиконовая биохимия

Атом кремния часто обсуждается как основа альтернативной биохимической системы, поскольку кремний обладает многими химическими сходствами с углеродом и находится в той же группе периодической таблицы. Как и углерод, кремний способен создавать молекулы, достаточно крупные для хранения биологической информации. Однако у кремния есть несколько недостатков как у альтернативы углероду. Углерод в десять раз более распространен во Вселенной, чем кремний, и его химия представляется более сложной. Несмотря на то, что Земля и другие планеты земной группы исключительно богаты кремнием и бедны углеродом (в земной коре содержание кремния примерно в 925 раз превышает содержание углерода), земная жизнь основана на углероде. Это может быть связано с тем, что соединения кремния менее разнообразны, нестабильны в воде или препятствуют теплообмену. По сравнению с углеродом, кремний имеет значительно больший атомный радиус и образует более слабые ковалентные связи с атомами, за исключением кислорода и фтора, с которыми он образует очень прочные связи. С другой стороны, слабые связи в соединениях кремния могут способствовать поддержанию быстрого метаболизма при криогенных температурах. Полисиланолы, кремниевые аналоги сахаров, – одни из немногих соединений, растворимых в жидком азоте. Все известные кремниевые макромолекулы являются искусственными полимерами и поэтому «однообразны по сравнению с комбинаторным разнообразием органических макромолекул». Хотя в природе они не встречаются, углерод-кремниевые связи были введены в биохимию посредством направленной эволюции (искусственного отбора): белок цитохром c из Rhodothermus marinus был сконструирован для катализа образования новых углерод-кремниевых связей между гидросиланами и диазосоединениями.

Другие биохимические соединения на основе экзотических элементов

Бораны крайне взрывоопасны в атмосфере Земли, но были бы более стабильны в восстановительной атмосфере. Однако, низкая космическая распространенность бора делает его менее вероятной основой для жизни, чем углерод. Различные металлы, в сочетании с кислородом, способны формировать очень сложные и термостабильные структуры, сопоставимые по сложности с органическими соединениями; гетерополикислоты – один из таких классов соединений. Некоторые оксиды металлов также подобны углероду в своей способности образовывать как нанотрубчатые структуры, так и кристаллы, подобные алмазу (например, кубический цирконий). Титан, алюминий, магний и железо более распространены в земной коре, чем углерод. Таким образом, жизнь на основе оксидов металлов может быть возможна при определенных условиях, включая те (например, высокие температуры), при которых углеродная жизнь была бы маловероятна. Группа Кронина из Университета Глазго сообщила о самосборке полиоксиметалата вольфрама в структуры, напоминающие клетки. Модифицируя содержание оксидов металлов, эти структуры могут приобретать отверстия, функционирующие как пористые мембраны, избирательно пропускающие химические вещества внутрь и наружу в зависимости от их размера. Сероредуцирующие бактерии могут использовать элементарную серу вместо кислорода, восстанавливая серу до сероводорода.

Арсен как альтернатива фосфору

Арсен, химически схожий с фосфором, хотя и ядовитый для большинства форм жизни на Земле, включается в биохимию некоторых организмов. Некоторые морские водоросли включают мышьяк в состав сложных органических молекул, таких как арсеносахара и арсенобетаины. Грибы и бактерии способны производить летучие метилированные соединения мышьяка. У микробов (Chrysiogenes arsenatis) наблюдались восстановление арсенатов и окисление арсенита. Кроме того, некоторые прокариоты могут использовать арсенат в качестве конечного акцептора электронов в процессе анаэробного роста, а некоторые – арсенит в качестве донора электронов для генерации энергии. Высказывалось предположение, что самые ранние формы жизни на Земле могли использовать мышьячную биохимию вместо фосфорной в структуре своей ДНК. Распространенным возражением против этого сценария является то, что арсенатные эфиры значительно менее стабильны к гидролизу, чем соответствующие фосфатные эфиры, что делает мышьяк малопригодным для этой функции. Авторы геомикробиологического исследования 2010 года, частично поддержанного НАСА, предположили, что бактерия GFAJ 1, выделенная из отложений озера Моно в восточной Калифорнии, может использовать такую «ДНК на основе мышьяка» при культивировании в отсутствие фосфора. Они предположили, что бактерия может использовать высокие уровни поли-β-гидроксибутирата или другие механизмы для снижения эффективной концентрации воды и стабилизации своих арсенатных эфиров. Научный журналист Карл Циммер обратился к нескольким ученым за оценкой: «Я связался с дюжиной экспертов, и почти единогласно они считают, что ученым НАСА не удалось доказать свою точку зрения». Другим авторам не удалось воспроизвести их результаты и было показано, что исследование имело проблемы с фосфатным загрязнением, что позволяет предположить, что присутствующие в небольших количествах фосфаты могли поддерживать жизнедеятельность экстремофилов. В качестве альтернативы было предложено, что клетки GFAJ 1 растут, перерабатывая фосфат из деградировавших рибосом, а не заменяя его арсенатом.

Метан и другие углеводороды

Метан (CH4) — это простой углеводород, то есть соединение двух наиболее распространенных элементов в космосе: водорода и углерода. Его космическое изобилие сопоставимо с аммиаком. Вода является более сильным растворителем, чем углеводороды, что облегчает транспорт веществ в клетке. Однако вода также более химически реактивна и может разрушать крупные органические молекулы посредством гидролиза. В 2010 году Даррелл Стробел из Университета Джона Хопкинса обнаружил возможные свидетельства существования такой формы жизни на Титане: большее количество молекулярного водорода в верхних слоях атмосферы Титана по сравнению с нижними, что указывает на нисходящую диффузию со скоростью около 1025 молекул в секунду и исчезновение водорода вблизи поверхности Титана. Как отметил Стробел, его результаты соответствовали эффектам, предсказанным Крисом Маккеем в случае наличия метаногенных организмов. В том же году другое исследование показало низкий уровень ацетилена на поверхности Титана, который Крис Маккей интерпретировал как согласующийся с гипотезой о том, что организмы восстанавливают ацетилен до метана. Он отметил, что даже небиологический катализатор, эффективный при 95 К, сам по себе был бы удивительным открытием. Анализ данных, полученных с помощью массива Атакамаского большого миллиметрового/субмиллиметрового диапазона (ALMA), завершенный в 2017 году, подтвердил значительное количество акрилонитрила в атмосфере Титана. Последующие исследования ставили под вопрос возможность самосборки акрилонитрила в азотозомы.

Фторид водорода

Фторид водорода (HF), как и вода, является полярной молекулой, и благодаря этой полярности способен растворять многие ионные соединения. При атмосферном давлении его температура плавления составляет , а температура кипения – ; разница между ними немного превышает 100 К. HF также образует водородные связи со своими соседними молекулами, подобно воде и аммиаку. Ученые, такие как Питер Снит и Карл Саган, рассматривали его как потенциальный растворитель для жизни. Однако фторид водорода встречается во Вселенной крайне редко, в отличие от воды, аммиака и метана.

Сероводорода

Сероводород является наиболее близким химическим аналогом воды, но менее полярен и является более слабым неорганическим растворителем. Сероводород в изобилии встречается на спутнике Юпитера Ио и может находиться в жидком состоянии на небольшом расстоянии под поверхностью; астробиолог Дирк Шульце-Макух предположил, что он может служить возможным растворителем для жизни там. На планете с океанами сероводорода источником сероводорода могут быть вулканы, в этом случае он может смешиваться с небольшим количеством фтористого водорода, который поможет растворять минералы. Жизнь, основанная на сероводороде, может использовать смесь монооксида углерода и углекислого газа в качестве источника углерода. Она может производить и существовать на монооксиде серы, который аналогичен кислороду (O2). Как и цианистый водород и аммиак, сероводород имеет ограниченный температурный диапазон, в котором он находится в жидком состоянии, однако, подобно цианистому водороду и аммиаку, этот диапазон расширяется с увеличением давления.

Диоксид кремния и силикаты

Диоксид кремния, также известный как кремнезем и кварц, чрезвычайно распространен во Вселенной и обладает широким диапазоном температур, в котором он находится в жидком состоянии. Однако его температура плавления составляет , поэтому создание органических соединений при этой температуре невозможно, так как все они бы разложились. Силикаты схожи с диоксидом кремния, и некоторые из них имеют более низкую температуру плавления, чем у кремнезема. Фейнберг и Шапиро предположили, что расплавленная силикатная порода могла бы служить жидкой средой для организмов, химия которых основана на кремнии, кислороде и других элементах, таких как алюминий.

Аланный мир и гипотетические альтернативы

Генетический код мог эволюционировать в процессе перехода от мира РНК к миру белков. Гипотеза мира аланина постулирует, что эволюция генетического кода (так называемая GC-фаза) началась всего с четырех основных аминокислот: аланина, глицина, пролина и орнитина (в настоящее время аргинина). Эволюция генетического кода завершилась 20 протеиногенными аминокислотами. С химической точки зрения, большинство из них являются производными аланина, особенно хорошо подходящими для построения α-спиралей и β-листов – основных вторичных структурных элементов современных белков. Прямым подтверждением этого служит экспериментальная методика в молекулярной биологии, известная как сканирование аланином. Гипотетический "мир пролина" мог бы создать альтернативную форму жизни с генетическим кодом, основанным на пролиновом химическом каркасе в качестве основы для белковой структуры. Аналогично, "мир глицина" и "мир орнитина" также представляются возможными, но природа не выбрала ни один из них. Эволюция жизни с пролином, глицином или орнитином в качестве базовой структуры для полимеров, подобных белкам (фолдеров), привела бы к возникновению параллельных биологических миров. Они имели бы морфологически радикально отличающиеся планы строения тела и генетику по сравнению с живыми организмами известной биосферы.

Пыльная плазма

В 2007 году Вадим Н. Цытович и его коллеги предположили, что поведение, напоминающее живое, может демонстрироваться пылевыми частицами, взвешенными в плазме, в условиях, которые могут существовать в космосе. Компьютерное моделирование показало, что при заряжении пыль частицы могут самоорганизовываться в микроскопические спиральные структуры, и авторы предлагают "приблизительную схему возможной модели воспроизведения спиральных зернистых структур".

Космические ожерелья

В 2020 году Луис А. Анкордоки и Юджин М. Чудновский из Городского университета Нью-Йорка предположили, что жизнь, основанная на "космических ожерельях" из магнитных монополей, соединенных космическими струнами, могла бы развиваться внутри звезд. Это стало бы возможным благодаря растяжению космических струн под воздействием мощной гравитации звезды, что позволило бы им приобретать более сложные формы и потенциально формировать структуры, аналогичные структурам РНК и ДНК, встречающимся в углеродной жизни. Следовательно, теоретически возможно, что такие существа могли бы в конечном итоге обрести разум и построить цивилизацию, используя энергию, выделяемую в результате ядерного синтеза звезды. Поскольку такое использование потребляет часть энергии звезды, её светимость также уменьшилась бы. По этой причине предполагается, что такая жизнь может существовать внутри звезд, которые охлаждаются быстрее или кажутся тусклее, чем предсказывают современные космологические модели.

Жизнь на нейтронной звезде

Фрэнк Дрейк предположил в 1973 году, что разумная жизнь может существовать на нейтронных звездах. Физические модели 1973 года указывали на то, что существа Дрейка были бы микроскопическими.